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圖片藍色部分為(wei) 推測的暗物質分布（圖片來源：ESA/Hubble）

暗物質看不見、摸不著、目前隻存在於(yu) 理論中，然而科學家卻已經為(wei) 候選的暗物質粒子按冷、溫、熱分好了類。他們(men) 的分類標準是什麽(me) ？不同類別的暗物質，在構建宇宙的過程中起了什麽(me) 作用？我們(men) 又該如何尋找它們(men) 的蹤跡？

半個(ge) 世紀前，天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）為(wei) 了解釋星係的旋轉，認為(wei) 大量證據顯示宇宙中存在一種看不見的物質，這種物質現在被稱為(wei) “暗物質”。暗物質隻通過引力與(yu) 普通物質發生相互作用，但數量極多，占宇宙中所有物質的85%。

暗物質為(wei) 塑造可見物質發揮了關(guan) 鍵作用。從(cong) 我們(men) 的銀河係到遙遠星係間的氣體(ti) 纖維，它們(men) 的形成過程都有暗物質的參與(yu) 。美國天體(ti) 物理學家凱沃克·阿巴紮吉安（Kevork Abazajian）說：“我們(men) 相信暗物質存在，因為(wei) 在多種尺度下都有支持它存在的證據。”

關(guan) 於(yu) 暗物質的形態存在很多觀點，從(cong) 行星大小的物體(ti) （被稱為(wei) MACHO）到單個(ge) 粒子（如大質量弱相互作用粒子WIMP，大約質子大小），甚至更小的軸子（axion）和惰性中微子，不一而足。

20世紀80年代起，科學家將候選的暗物質粒子按冷、溫、熱分類。分類標準基於(yu) 粒子在早期宇宙中的速度，而這又取決(jue) 於(yu) 粒子質量及其誕生時的環境溫度。輕而快的粒子被稱為(wei) “熱暗物質”，重而慢的粒子被稱為(wei) “冷暗物質”，“溫暗物質”則介於(yu) 二者之間。在這一標準下，WIMP是冷暗物質，惰性中微子是溫暗物質，早期宇宙殘留的中微子是熱暗物質。（軸子是一個(ge) 特例，它既輕又極冷。我們(men) 稍後細說。)

為(wei) 什麽(me) 科學家如此重視粒子的速度呢？阿巴紮吉安說：“輕而快的暗物質粒子可以在相同時間內(nei) 走得更遠，抹平沿途存在的任何結構。”相反，慢而冷的暗物質則有助於(yu) 構建結構。根據我們(men) 現有的星空体育官网入口网站，慢而冷的暗物質一定是宇宙組成成分之一。

建造星係

科學家對每種候選暗物質粒子的形成時間和形成方式尚未有定論。他們(men) 唯一確定的是，暗物質在宇宙大爆炸後大約75 000年就已經存在了。“從(cong) 那時起，‘物質’超越‘輻射’成為(wei) 宇宙的主宰，像‘種子’一樣的微小的物質結構開始形成，”美國斯坦福大學（Stanford University）理論物理學家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）說。

新生宇宙是一鍋熾熱而致密的“宇宙湯”，其中粒子碰撞，產(chan) 生了大多數類型的暗物質粒子。這與(yu) 大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）中，高能粒子碰撞產(chan) 生新粒子的過程大致相同。事實上，暗物質可能存在多種類型。隨著宇宙的膨脹和冷卻，暗物質粒子最終變為(wei) 冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。

當暗物質在宇宙中自由“流動”時，每種類型的暗物質都會(hui) 對沿途的物質結構產(chan) 生獨特影響。“科學家形容暗物質在宇宙中自由‘流動’，這個(ge) 術語有點誤導人。”阿巴紮吉安說，“因為(wei) 順著河水流動的樹葉都朝著同一個(ge) 方向前進，但流動的暗物質卻無處不在，向四麵八方散播。” 它們(men) 有的增加物質的聚集度、從(cong) 而促進星係的形成，有的阻礙星係的形成。

冷暗物質可以促進物質聚集，比如WIMP。因為(wei) 它們(men) 的移動速度足夠慢，能夠匯聚在一起形成引力井，從(cong) 而捕獲附近的物質，使物質聚集。

而熱暗物質則會(hui) “拆散”聚集的物質，因為(wei) 它們(men) 的移動速度如此之快，以至於(yu) 可以忽略引力井的吸引。意大利博洛尼亞(ya) 大學（University of Bologna）理論物理學家西爾維婭·帕斯科利（Silvia Pascoli）說：“如果宇宙中隻有熱暗物質，那麽(me) 微小的物質結構‘種子’就不可能成長為(wei) 更大的結構。”因此科學家認為(wei) ，熱暗物質粒子隻占暗物質的一小部分，如宇宙早期遺留的中微子。但作為(wei) 目前唯一確定的暗物質，這類中微子也對宇宙的進化產(chan) 生了重要的影響。

你可以把溫暗物質視為(wei) 最好的暗物質，它們(men) 可以讓宇宙充滿恰到好處的物質結構。惰性中微子是溫暗物質的首選粒子，在理論上它可以占暗物質的絕大多數。

阿巴紮吉安研究了早期宇宙中特定類型的中微子振蕩如何產(chan) 生惰性中微子暗物質，他說：“然而大部分參數空間（可能存在的條件集）已經被排除了。盡管同樣的振蕩今天可能還在發生，但一般的中微子在真空中通過標準振蕩轉化為(wei) 惰性中微子的概率極低，估計在10萬(wan) 分之一到100萬(wan) 億(yi) 分之一之間。”

“你必須使用非常好的計數機製，才能在100萬(wan) 億(yi) 次撞擊中不遺漏一次惰性中微子的撞擊。”阿巴紮吉安說。也就是說，也有一些實驗正在嚐試不依賴撞擊產(chan) 生惰性中微子方法。

軸子與(yu) 其他候選暗物質粒子不同，它們(men) 非常輕、非常冷。軸子的質量輕到可以用波來描述它，軸子場可以傳(chuan) 播幾公裏。軸子與(yu) 其他物質的耦合很弱，以至於(yu) 在早期宇宙粒子瘋狂碰撞的熱“湯”中，幾乎也不會(hui) 產(chan) 生任何軸子。

“軸子的產(chan) 生方式與(yu) 其他的候選暗物質粒子天差地別。盡管當時的宇宙非常熱，但軸子在誕生時就非常冷，並將永遠保持冷的狀態。” 格雷厄姆說，“軸子的溫度接近絕對零度，而在這個(ge) 溫度下幾乎所有的運動都停止了。所以本質上軸子是不運動的。它們(men) 像是幽靈般的液體(ti) ，而其他的一切都在其中流動。”

尋找各種各樣的暗物質

部分科學家認為(wei) ，想要解釋我們(men) 在宇宙中看到的所有事物，需要不止一種類型的暗物質。盡管在過去的幾年裏，旨在檢測WIMP和產(chan) 生暗物質粒子的LHC碰撞試驗全都無果而終，但搜尋暗物質的研究仍未停歇。科技的進步帶來了許多巧妙的實驗方法，或許能讓我們(men) 發現更輕、更奇異的暗物質粒子。

部分尋找暗物質的實驗，利用了暗物質在創造物質結構的過程中起到的作用。

加州大學歐文分校的科學家西蒙娜·穆爾吉亞(ya) （Simona Murgia ）在美國能源部SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory)進行博士後研究時，她帶領的研究團隊曾用費米伽馬射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）尋找WMIP與(yu) 其反粒子之間的碰撞現象。

現在她所在的國際科學家團隊，將在智利的維拉·魯賓天文台（Vera C. Rubin Observatory）使用世界上最大的數碼相機，對南部天空進行大規模的研究。這項研究的目標之一，是觀察可見星係發出的光線如何被暗物質彎曲，以更好地掌握暗物質的分布。

該相機將在10年間拍攝大約200億(yi) 個(ge) 星係的圖像，科學家希望由此推斷出塑造它們(men) 的暗物質的基本性質。“星係的分布越聚集，就越符合冷暗物質的理論。” 穆爾吉亞(ya) 說，“我們(men) 不僅(jin) 想知道暗物質是否真的存在，更想明白暗物質究竟是什麽(me) 。”

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